姿态测量误差对多波束测深数据影响分析

刘 毅，周兴华，史永忠，张 杰

（1．浙江省河海测绘院，浙江 杭州310008；2．浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州310020）

船姿测量参数主要包括航偏角、纵摇、横摇和涌浪（动态吃水）等。受风浪、船体操纵等因素影响，船姿参数会发生瞬时变化，安装在船体上的多波束换能器的姿态也随之发生变化，造成测量成果失真或地形畸变。在船姿测量误差作用下波束脚印归位计算的结果常常与实际位置存在较大偏差。因此，为了保证多波束测量成果的精度和质量必须对船姿测量误差进行补偿。

1 姿态测量误差对波束点位坐标的影响分析

1．1 航偏角h的影响分析

受各种因素的影响，测量船的航行方向与测线方向不可能常常保持一致，而是绕轴在水平面上产生一定的扭动角，该扭动对于波束脚印在船体坐标系（VFS）下的坐标不会造成影响，但会造成当地坐标系（LLS）与船体坐标系（VFS）之间的旋转角A0从变化为A＝A0＋h，如图1所示。相对于设计测线航向偏左，h为正，反之则为负。Δh为在LLS系下的坐标及航偏角测量误差，该误差对波束脚印坐标的影响

图1 航偏角引起船姿变化示意

其中，D＝R cosφ．

1．2 横摇的影响分析

换能器绕x轴在y Oz面内旋转角度r称为横摇，从而导致测量断面发生变化，如图2所示。设波束入射角由θ0变化Φ，其中Φ＝θ0＋r，则波束脚印在VFS坐标系下的坐标以及横摇r测量误差d r对测点坐标的影响

图2 横摇示意

由式4可知 横摇的变化只对y坐标和z坐标产生影响，对坐标没有影响。

1．3 纵摇影响分析

换能器绕y轴在x Oz平面内旋转角度p称为纵摇，逆时针旋转为正，反之为负，如图3所示。实际测量断面与设计测量断面之间产生一个二面角p，则波数脚印坐标以及p角的测量误差d p对测点坐标的影响：

其中，（x′，y′，z′）为理想状态下的坐标。

图3 纵摇示意

2 试验分析

利用式（1）～式（6），在不同条件下分别计算不同的姿态测量误差对测点位置坐标的影响，规律进行归纳总结，结果如表1所示。

表1 姿态误差对测点位置影响

由表1中数据可知

1）姿态参数中的纵摇、横摇、航偏角等测量误差对测点坐标的影响与测深成正比；

2）航偏角测量误差仅对波束脚印的平面位置坐标x，y产生影响，对深度值z没有影响，除了与测深值成正比外，还与波束入射角有关，成正相关（大致近似于正比关系），特别对坐标值的影响尤为明显；

3）纵摇测量误差对测点坐标x，z均有影响，当测量水深较浅时，这种影响较小，基本可以忽略不计，但随着测量距离（水深）较大时，尤其是边缘波束，这种影响比较明显，尤其对x坐标的影响特别明显；

4）横摇测量误差对测点坐标y，z皆有影响，其中对y坐标的影响较z坐标明显，与纵摇测量误差对x坐标的影响基本一致。

3 结束语

姿态测量误差对波束脚印坐标的影响与波束入射角、测量水深值等因素密切相关，基本成正比关系。在多波束测量中边缘波束的测量精度较中间波束数据的测量精度低。因此，在实际测量中，为了提高多波束测量成果的质量 应尽可能增大条带重叠率。

［1］ 王建忠，王玉龙．多波束与RTK三维水深测量技术的联合应用［J］．测绘工程，2014，23（4）：65－68．

［2］ 肖付民，刘雁春，暴景阳．多波束换能器艏线偏移对多波束测深质量的影响［J］．测绘通报，2001（07）：12－14．

［3］ 阳凡林，李家彪，吴自银，等．多波束测深瞬时姿态误差的改正方法［J］．测绘学报，2009，38（5）：450－456．

［4］ 赵建虎，刘经南．船姿分析及其对多波束测量的影响［J］．武 汉 大 学 学 报：信 息 科 学 版，2001，26（2）：144－149．

［5］ 刘方兰，肖波，罗伟东，等．Geoswath多波束系统及其在航道测量中的应用［J］．测绘工程，2009，18（4）：47－50．

［6］ 朱庆，李德仁．多波束测深数据的误差分析与处理［J］．武汉测绘科技大学学报，1998，23（1）：1－4．

［7］ 赵建虎，刘经南，周丰年．GPS测定船体姿态方法研究［J］．武汉测绘科技大学学报，2000，2（4）：353－357．

［8］ 郭发滨，周兴华，陈义兰．多波束测深数据出现失真的因果分析［J］．海洋测绘，2008（1）：59－61．